СПОСОБ СОЗДАНИЯ ВРЕМЕННЫХ ЗАДЕРЖЕК СВЕТОВОГО ПОТОКА Российский патент 1998 года по МПК G01J9/00 G02B27/14 

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в самых различных областях техники, в частности, при создании оптических линий задержки, голографии, в лазерной технике, эталонов частоты и времени, вычислительной технике.

Распространение световой энергии подчиняется фундаментальным законам физики, одним из которых является закон отражения. При переходе луча из среды с большим показателем преломления в среду с меньшим его значением наблюдается явление полного внутреннего отражения (ПВО). Примером ПВО является, в частности, распространение световой энергии по световодам. (В.Б. Вейнберг, Д.К. Саттаров "Оптика световодов", Машиностроение, Л., 1977). Известен также способ формирования растра световых лучей, основанный на законах отражения при вводе луча в полуцилиндрическую линзу. (Г.С.Мельников и др. "Методика лучевого описания растровых явлений в цилиндрической линзе при ее работе в области полного внутреннего отражения", Сб. тезисов докладов II Всесоюзной конференции молодых специалистов, ГОИ, Л.. 1986). В этом случае (см. фиг. 1) путь луча будет определяться величиной угла падения в точке первой его встречи с цилиндрической поверхностью, координаты которой характеризуются выражениями
x = R•cos(π/k) y = R•sinπ/k, (1)
где
k - некоторое число, называемое коэффициентом фрактальности.

При целых значениях k лучи за счет законов отражения от цилиндрической поверхности (в предположении, что плоскость ZX линзы является зеркально отражающей) замыкаются за один оборот.

В общем случае k=N/M. При этом путь луча будет замыкаться за М оборотов, а общее число отражений за один замкнутый цикл равно N. Таким образом, значение коэффициента фрактальности определяет траекторию лучей при отражении от криволинейных поверхностей. Если перпендикулярно поверхности основания цилиндрической линзы направлен квазипараллельный пучок света диаметром d, то он после отражения от цилиндрической поверхности может быть разбит на ряд парциальных лучей в соответствии со значением фрактальности для каждого из них (определяется расстоянием X входа луча от центра линзы - см. формулу (1)).

Общеизвестны также способы использования закона отражения в оптических линиях задержки, осуществляющих задержку на фотоприемное устройство (ФПУ) светового потока (относительно времени его ввода) за счет многократных отражений от зеркальных или полупрозрачных поверхностей, расположенных на определенном расстоянии друг от друга (например, интерферометр Фабри-Перо, см. Калитеевский Н.И. Волновая оптика. Изд. 2-е, испр. и доп. М.. "Высш. школа", 1978, стр. 190), что может быть принято за прототип данного изобретения. В этих устройствах (см. фиг. 2) время задержки подачи на ФПУ светового потока (относительно исходного) будет определяться зависимостью
t₃= N•L₃•tg(β)/c, (2)
где
L₃ - расстояние между зеркалами, называемое длиной свободного пробега, β - угол луча относительно плоскости Z=0, с - скорость света.

Изменяя L₃ и число отражений N (изменением угла падения β входного луча на первую поверхность) можно реализовать различные времена задержки.

Недостатками указанного способа являются трудность получения малых величин задержек (поскольку их величина определяется расстоянием между зеркалами) и получение задержек при данных параметрах устройства только одной кратности (пропорциональной углу падения и числу отражений).

Цель изобретения - обеспечить получение задержек выходящих из устройства световых потоков любой кратности, т.е. отличающихся друг от друга в любое заданное (целое или дробное) число раз в любом заданном интервале, в том числе, в области малых значений.

Цель достигнута тем, что в качестве отражающего элемента используют цилиндр (его ось совпадает с осью Z цилиндрической системы координат (ЦСК)), полый или заполненный материалом с показателем преломления, большим 1, внутрь которого вводят квазигомоцентрический относительно образующей цилиндра в плоскости S, имеющей угол B с осью цилиндра B = 90^°-β , где β - угол с плоскостью Z= 0 ЦСК) и квазипараллельный в ортогональной плоскости, импульсный монохроматический световой поток с выбранным углом раствора, отсчитываемым в плоскости Z = 0 ЦСК, а регистрацию выходных потоков осуществляют в заданных областях, центры которых расположены на той же образующей цилиндра, проходящей через центр области ввода, а координаты областей выхода по высоте цилиндра определяются выбранными значениями угла наклона β и угла α ЦСК парциального луча относительно нормали к цилиндру в точке ввода (фиг. 3).

Реализация предложенного способа основана на том, что при вводе светового потока, имеющего некоторый угол расходимости в плоскости S, отдельные парциальные его составляющие будут иметь в точках падения на цилиндрическую поверхность различные угла отражения, обусловленные различием в величинах углов падения.

Связь между величиной угла падения α ЦСК, числом оборотов луча М и числом отражений N за один замкнутый цикл определяется выражением
α = π/2-M•π/N (3)
Если теперь осуществить вывод каждого из парциальных лучей в известных точках, расположенных на образующей цилиндра, то разность в длине оптического пути (в результате разного числа отражений за один замкнутый цикл) приводит к временной задержке их появления относительно времени ввода и друг относительно друга. Возможность вывода различных парциальных лучей реализуется нами наличием угла B наклона плоскости S ввода светового потока относительно образующей цилиндра. В этом случае каждый из рассматриваемых парциальных лучей будет осуществлять движение по ломаной винтовой линии с завершением цикла на различной варьирования оптической длины хода лучей p-кратным изменением числа шагов до момента их вывода.

В общем виде зависимость, определяющая текущую координату z точки отражения, определяется выражением
z(M,N,p,β) = 2•R•p•sin(M•π/N)•tg(β) (4)
здесь
R - радиус цилиндра, p - число шагов ломаной винтовой линии до момента вывода луча (один цикл замыкается при p = N).

Длина пути парциального луча
L(M,N,p,β) = 2•R•p•sin(M•π/N)/cos(β) (5)
и соответственно время пути от момента ввода
t(M,N,p,β) = L(M,N,p,β)•n/c, (6) ,
где
с - скорость света, n - показатель преломления среды внутри цилиндра. Из соотношений (4, 5, 6) следует

где
Z - расстояние между точками ввода и вывода луча вдоль образующей.

Таким образом, осуществляя нарушение полного отражения в области точек, лежащих на образующей цилиндра, проходящей через центр области ввода, на различных высотах (формула 4), можно зафиксировать момент прихода в область данной точки импульса излучения и, следовательно, определить время его задержки относительно времени ввода.

Вывод светового потока в требуемых областях может производиться с помощью щели, вырезаемой по образующей цилиндра на требуемом расстоянии от основания (координата Z), при этом, исходя из требуемой точности определения временной задержки, заранее определяют высоту и ширину участка щели, лучи из которого регистрируют с помощью одного фотоприемного устройства, производя тем самым на входе группировку парциальных лучей. В этом случае разность времени задержек лучей, попадающих на края щели размера A, при A<<R, определяется выражением
Δt ≈ 2A•(n/c)•cos(π/k)/cos(β), (7) ,
На основании формул (5, 6, 6а) и формулы связи углов наклона α (3) с коэффициентом фрактальности K (k_i=N_i/M_i), и с учетом проекции на плоскость S (α _→ α_S) отношение задержек для любых двух областей вывода определяется выражением

Минимально возможная ширина щели определяется геометрическими размерами фотосчитывающих устройств.

С энергетической точки зрения величина потока, регистрируемого фотоприемным устройством, будет определяться выражением
,
где
P_вх - мощность входного потока, Ω - телесный угол раствора входного пучка, ω_вых - величина телесного угла на выходе, определяемая принятыми размерами щели, К_пот - коэффициент потерь, определяющий уменьшение потока при отражениях и вследствие поглощения и рассеяния на длине траектории K_пот= [r^N-1]•[τ^L], где r - коэффициент отражения, r^N-1 - потери на отражение, τ^L - потери на поглощение и рассеяние).

Реализация предлагаемого способа возможна на основе использования в качестве источника света, например, высокостабильного непрерывного или импульсного лазерного излучателя нано- или пикосекундного диапазонов длительности импульса (см. Bagayev S.N.,... "Ultra stable transportable He-Ne/CH4 laser on cold particles", 8-th Laser Optics Conference, Technical Digest Vol. 1, p. 197, St. -Petersburg, 1995), фокусировка пучка излучения которого осуществляется с помощью цилиндрической линзы. При этом для пустого цилиндра, а также в случае несущественного влияния на времена задержек длительность и крутизну фронтов импульсов дисперсии заполняющего материала возможно использование немонохроматического излучения.

Регистрация временных задержек в интервале 10^-7 ... 10^-8 с возможна на основе малоинерционных фотоприемных устройств электронного типа. Регистрация задержек во всем диапазоне, в том числе и менее 10^-10 с может осуществляться с помощью интегральных оптических затворов, построенных по принципу схем И-НЕ, И-ИЛИ, при этом площадь щели не определяет энергетический порог устройства, т. к. указанные элементы срабатывают непосредственно по величине амплитуды или интенсивности световой волны.

Возможность достижения задержек в интервале 10^-11 ... 10^-13 с иллюстрируется данными фиг. 4, где по оси абсцисс отложена величина угла встречи парциального луча с цилиндрической поверхностью, определяемая коэффициентом фрактальности (формула 1), а по оси ординат - временная задержка выхода парциальных лучей относительно времени ввода при разном значении числа шагов винтовой ломаной линии N. Соответствующие координаты выхода z парциальных лучей по высоте цилиндра относительно основания приведены на фиг. 5.

Расчет проводился для R_цил.=100 мм при угле наклона относительно основания β = 0,01 рад. .

Зависимость указанных величин временной задержки от угла β для α = 0,5 рад приведена на фиг. 6 и на фиг. 7 - значения соответствующей координаты. Как и следовало ожидать, увеличение угла β приводит к увеличению разрешающей способности по координате Z, однако при этом увеличивается требуемая высота цилиндра. Выбор угла раствора Ω и его наклон к оси цилиндра в проекции на плоскость Z = 0 определяется требованиями к получаемому диапазону временных задержек и может варьироваться в широких пределах. Возможность достижения больших величин временной задержки (в диапазоне 10^-11... 10^-7 с) требует увеличения числа шагов винтовой линии N, т.е. связана с увеличением высоты цилиндра - см. графики соответственно на фиг. 8 и 9, построенные для угла β = 0,05 рад. . Для достижения временных задержек, больших 10^-7 с, цилиндрический световод можно, например, закольцевать в виде тора или многовиткового световода.

Таким образом, устройство, реализующее предлагаемый способ создания временной задержки, позволяет зафиксировать на выходе временные задержки практически любой кратности относительно времени ввода исходного светового потока, либо друг относительно друга, т.е. создать пространственно-временную структуру, которая может быть использована в самых разных областях техники (например, голографии, лазерной технике, технике эталонов частоты и времени, вычислительной технике).

Аналогичные явления создания пространственно-временной структуры будем иметь и в том случае, как указывалось выше, если вместо полого зеркального цилиндра в качестве отражающего элемента применен цилиндрический заполненный материал с очень малой дисперсией (например, кварц для λ₀= 1,55 мкм световод, вывод световых потоков из которого будем осуществлять с помощью, например, протяженного оптического элемента нарушения ПВО, расположенного по образующей цилиндра, проходящей через точку ввода (фаска, пластина, призма, находящаяся на оптическом контакте или на расстоянии ≤λ₀/2 и т.п.)к

Использование: изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в различных областях техники, в том числе, при создании оптических линий задержки, в голографии, лазерной технике, технике эталонов частоты и времени и т.п. Сущность: изобретение основано на законе отражения от поверхностей раздела сред с различными показателями преломления. Применение в качестве отражающего элемента зеркального полого или заполненного материалом с показателем преломления, большим 1, цилиндра позволяет при вводе внутрь цилиндра импульсного монохроматического светового потока, квазигомоцентричного относительно образующей цилиндра в плоскости, имеющей угол B с его осью, и квазипараллельного в ортогональной плоскости, получить в наперед заданных областях с центрами на образующей цилиндра единовременно набор задержек (определяемых и по разности времен вывода), отношение которых есть любое (целое или дробное) рациональное число. 9 ил.

Способ создания временных задержек светового потока, основанный на многократном отражении, при котором световой поток направляют под некоторым углом к отражающей поверхности, организуют многократное отражение и с помощью фотоприемных устройств регистрируют времена ввода и вывода светового потока, а по разности между ними определяют временную задержку, отличающийся тем, что в качестве отражающей поверхности используют цилиндр, полый или заполненный материалом с показателем преломления, большим 1, вводят внутрь цилиндра монохроматический световой поток, квазигомоцентричный относительно образующей цилиндра в плоскости ввода, имеющей некоторый угол с его осью, и квазипараллельный в ортогональной плоскости, а вывод задержанных потоков осуществляют в областях с центрами на образующей цилиндра, при этом отношение времени задержек для любых двух областей прямо пропорционально отношению высот точек выхода двух лучей относительно точки входа и обратно пропорционально отношению косинусов углов ввода каждого из лучей, отсчитываемых в плоскости ввода от нормали к касательной к цилиндру в точке ввода, а задержка каждого луча в области вывода определяется отношением высоты точки выхода луча относительно точки входа в цилиндр к произведению скорости света внутри цилиндра на синус угла между плоскостью нормального сечения цилиндра и лучом.